沿海木麻黄防护林土壤pH值空间变异特征

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2024年1月23日发(作者：)

沿海木麻黄防护林土壤pH值空间变异特征

陈灿;林勇明;吴承祯;林宇;李键;洪伟

【摘 要】The spatial variations of soil pH values at different soil-layers in a

21-year-old coastal forest ofCasuarina equisetifoliaL. in Fuzhou were

analyzed by using geo-statistics combining withifeld work. The results

show that (1) the soil pH in the surveyed forest was strong acidity, the

mean values of soil pH in 0~20 cm (A layer), 20~40 cm (B layer) and 40~60

cm(C layer) were 4.04, 4.16 and 4.14 respectively; the variable coefifcients

of each layer were 10.73%, 9.13% and 13.26%. (2) the Nugget effect values

of pH in A, B and C layers were 0.879, 0.233 and 0.080 respectively; and the

optimal spatial autocorrelation models of pH values in Layer A, B and C

were linear with sill model, exponential model and exponential model

respectively; the results of The optimal interpolation kriging analysis

indicated that soil pH values in A-layer were affected by structural factor

while the ones in B-layer and C-layer were mainly influenced by forest

factors. (3)the forest-land soil acidiifcation was due to several reasons such

as soil parent material, air acid deposition, soil water content and forest

stands etc.. The findings provide a theoretical basis for protecting and

constructing coastal forests ofC. equisetifolia and other protective forests

in China.%以福建省福州市21年生沿海木麻黄林地土壤为研究对象，结合样地法和地统计学测定并分析了不同土壤层pH值的空间变异特征。结果表明：1）该木麻黄林土壤pH值整体呈强酸性，0～20（A）、20～40（B）和40～60 cm（C）土壤层的pH值均值分别为4.04、4.16和4.14；变异系数分别为10.73%、9.13%

和13.26%；2） A、B和C土壤层, pH值块金效应值分别为0.879、0.233和0.080,空间变异最优模型分别为线性有基台值模型、指数模型和指数模型。克里格最优插值分析结果显示表层土壤pH值受结构影响，底层则受林分影响为主；3）该林地土壤酸化主要受土壤母质、大气酸沉降、土壤含水量和林分等因素共同作用。研究结果为沿海木麻黄及其它防护林的保护与建设提供理论参考依据。

【期刊名称】《中南林业科技大学学报》

【年(卷),期】2015(000)011

【总页数】6页(P80-85)

【关键词】木麻黄;沿海防护林;林地土壤pH值;空间变异;福建省福州市

【作 者】陈灿;林勇明;吴承祯;林宇;李键;洪伟

【作者单位】福建农林大学林学院，福建福州 350002; 福建省高校重点森林生态系统过程与经营重点实验室，福建福州 350002;福建农林大学林学院，福建福州

350002; 福建省高校重点森林生态系统过程与经营重点实验室，福建福州 350002;福建省高校重点森林生态系统过程与经营重点实验室，福建福州 350002; 武夷学院生态与资源工程系，福建南平 354300;福建省大鹤国有防护林场，福建福州

350212;福建农林大学林学院，福建福州 350002; 福建省高校重点森林生态系统过程与经营重点实验室，福建福州 350002;福建农林大学林学院，福建福州

350002; 福建省高校重点森林生态系统过程与经营重点实验室，福建福州 350002

【正文语种】中 文

【中图分类】S792.39;S153.4

近年来全球气候变暖等环境问题日益突出，不仅影响国民经济建设，所引发的沿海自然灾害甚至危及沿海群众人身生命安全。沿海防护林是我国六大防护林体系之一，因其在防风固沙、防灾减灾等方面的突出作用，引起全球各国的普遍重视 [1-2]，但沿海环境相对恶劣，海风大，土壤盐渍化，土壤母质差养分低，蓄水能力弱，有机碳含量不高，这些均不利于沿海森林的生长，不利于森林生态系统的稳定，特别是限制了沿海防护林可选树种的筛选[3]。木麻黄Casuarina equisetifolia能抗强风、喜炎热、耐干旱、耐贫瘠、盐渍、沙埋，是中国沿海防风固林的优良树种之一。

木麻黄生长的好坏与土壤养分的分布状况有明显关系[4]，而土壤pH值是影响土壤养分的重要因子之一[5-6]。土壤pH值虽不能直接说明土壤中某种养分的数量但其值的大小可控制或影响土壤中微生物区系、酶活性、有机质的分解，从而左右大多数营养元素的转化方向、转化过程、形态和有效性[7-8]。特别是若是土壤过分酸化将不利于沿海防护林健康生长，主要表现在：1）影响到土壤有机物质的积累；2）影响到多种营养元素的含量，加剧土壤铝毒害[9]；3）影响到物种多样性；4）进而影响到沿海防护林的整体防护效应和生态效益。目前，一方面，土壤异质性已被广泛的证实，针对土壤养分的空间差异变化研究也引起了许多学者的重视[10-11]，主要集中于农业土壤[12-13]，也多针对有机质等养分研究[14-15]；另一方面，地统计学也被证实为研究土壤养分和其它属性变异规律最佳方法之一[16]，然而目前采用地统计学方法针对森林土壤pH值变化及空间分布的研究相对较少[5,17-18]，特别是对于沿海防护林土壤pH值的垂直和水平分布状况尚未见报。

本研究以中国东南沿海木麻黄防护林土壤为研究对象，测定不同土壤层（0～20、20～40和40～60 cm）土壤的pH值，运用GS7.0软件对土壤的空间变异和格局特征进行分析，研究主要目的旨在探讨以下几个问题：1）沿海防护林土壤不同深度pH值有何规律？2）沿海防护林土壤不同深度pH值水平间的变异特征如何？3）引起沿海防护林土壤pH值垂直和水平变异的原因是什么？弄清它们将有助于

为沿海防护林增加土壤肥力、提高防护林的稳定性、抗逆性、防护效能的研究奠定基础；在解决因木麻黄连栽造成的生产力下降和地力衰退，增加沿海防护林生态系统的生物多样性和景观多样性等方面也具有重要意义。

研究地点设在东南沿海长乐大鹤国有林场（25°40′～ 26°04′N，119°24′～

119°59′E）。该林场位于福建福州市，属典型的亚热带季风气候，年均气温19.3℃，年均降水量1 383 mm，≥10℃积温6 375.6℃，年实际日照时数1

837.6 h，无霜期333 d，空气相对湿度较大，年相对湿度约77%。最冷月1～2月，平均气温为6～10 ℃；最热月7～8月，平均气温为24～29℃。冬季主导风向为东北风，夏季主导风向为偏南风，7～9月是台风活动期，每年平均台风直接登陆市境的次数为2次。主要气象灾害有台风、暴雨洪涝、高温、干旱、寒潮等，其中干旱较为频繁，主要是春旱，平均每3年一遇，其次是夏旱；台风影响平均每年7.9次。研究区所在的滨海平原有风积层，海拔3～5 m，地势低平，主要岩性为黄色或黄白色细砂、粉砂，石英砂含量高，分选性好，结构松散，厚2～20

m，覆盖在海积平原或低丘上，构成滨海沙丘、沙垅、沙纹等风成地貌类型。

结合地形和林分分布采用相邻格子法在木麻黄防护林中设置100个20 m×20 m，面积共4 hm2，其中东西方向长240 m，南北方向长180 m。由于研究区地势平坦，高程差异小，故暂不考虑海拔对土壤pH值的影响[19]，样地采用平面直角坐标系进行标注[20]，样地的最西南角样地作为原点起始位置，每个样地四个角设置桩，并进行编号（见图1）。

在每个木麻黄样地当中采用“S”方式避开木麻黄根部随机选取3个点，每个随机点挖掘1个土壤剖面，每个土壤剖面内划分为3层，分别是0～20 cm（A层）、20～40 cm（B层）、40～60 cm（C层），在每一层用100 cm3环刀取1个土壤样品，共900个样品，编号后带回实验室测定pH值。将每个样地内同一层的土壤样品进行均匀混合，然后测定混合样品pH值3次，取其平均值，代表这个样

地该层土壤pH值。pH值的测定通过pH计（型号SG2）。

对该木麻黄防护林0～20、20～40与40～60 cm各土层土壤pH值进行描述性统计，获取均值、最大最小值、偏度、峰度和变异系数等指标，并结合Kruskal-Wallis（非参数的ANOVA）检验各层土壤pH值和各种参数级别间是否存在显著差异。采用K-S检验验证各土层土壤pH值是否符合正态分布并在此基础上采用地统计学方法中半方差函数和Kriging内插值指标进行沿海木麻黄防护林土壤pH值空间变异分析[21-22]。本文中所用的相关单元统计分析在软件Statistica8.0上完成，地统计学分析在软件GS+7.0上完成。

对21年生沿海木麻黄林土壤pH值描述统计分析结果见表1。由表1可知：木麻黄防护林土壤pH值在A、B和C层的平均值分别为4.04、4.16和4.14；最大值分别为5.23、5.16和5.66；最小值分别为2.85、3.08和2.57；变异系数分别为10.73%、9.13%和13.26%（见表1）。当土壤的pH值小于5时该土壤可归为强酸性土壤，在5.0～6.0间时属于酸性土壤[23]，由此可见沿海木麻黄防护林土壤整体呈强酸性，少部分属酸性土壤。

木麻黄防护林土壤pH值从A到B层呈现出微升趋势，而从B层到C层则表现略降，其均值最高不超过4.2（见表1，图2），且差异检验p＞0.1，说明木麻黄防护林土壤pH值在0～60 cm范围内各层差异不显著，表现稳定。根据变异系数的变异程度划分，当小于10%时为弱变异性；当介于10%到100%间时为中等变异性，当超过100%时为强变异性[24-25]。因此，木麻黄防护林土壤pH值在A和C层表现均为中等变异性，B层为弱变异，但也达到9.13%与另外2层十分接近。A、B和C层土壤pH值的偏度分别为-0.06、-0.35和-0.32，峰度分别为1.38、1.13和0.55，经K-S检验，3层的d值分别为0.1244、0.1146和0.1103。因此，可以近似认为这3层土壤pH值符合正态分布（表1，图2），满足统计学分析要求。

从木麻黄防护林各土壤层pH值频度分布来看，pH值4.0～4.5为各样地主要分布区间，各土壤层位于此区间的频度均接近或超过总数的50%，其中A层和C层pH值4.0～4.5频度均接近50，而B层最多达到58（见图2）。其次是pH值3.5～4.0和4.5～5.0区间，其中，A层前者的频度要远高于后者，差值达到了17；B层和C层两者频度比较接近，不同之处是B层是前者略高于后者，而C层则相反。各土壤层pH值均有少量分布于小于3.0和大于5的范围内。总体而言，各层土壤的pH值表现出酸性甚至强酸性，没有一个样方的pH值超过7。

利用GS+7.0软件计算21年生木麻黄林地各层土壤pH值的空间变异半方差函数，求得理论模型的相关参数（见表2）。对各向同性和各向异性变异的拟合模型主要采用常见的4个模型：线性有基台值模型（Liner model with sill）、球状模型（Spherical model）、指数模型（Exponential model）和高斯模型（Gaussian

model）[26-27]。各模型的主要参数有块金（Co）、基台值（Co+C）、变程（a）、残差（RSS）和决定系数（R2）。对这5个参数的选择的原则：首先考虑的是决定系数，决定系数越大，说明模型拟合程度越高；其次是考虑残差，值越小越好；然后是考虑变程和块金值[26]。根据这一原则，通过计算该木麻黄林各土层土壤在各向同性和各向异性变异的5个参数，筛选出最优半方差函数模型，最终确定沿海木麻黄防护林地0～20、20～40和40～60 cm土层土壤pH值空间变异最优模型分别为各向同性的线性基台值模型、指数模型和指数模型（见表2）从A层到C层的相关系数（R2）分别为1.000、0.971和0.935；残差（RSS）分别为1.31E-07、1.50E-04和 4.96E-04。

半方差模型参数中块金值与基台值的比值（Co/(Co+C)）称为块金效应，是反映土壤空间变异特征的重要参数[21]，根据块金效应大小，可以将空间变异程度划分为3个等级，分别为强空间相关、中等空间相关和弱空间相关[28]。供试的21年生木麻黄林地0～20、20～40和40～60 cm土层土壤pH值块金效应分别为

0.879＞0.75、0.233＜0.25和0.080＜0.25（见表2），说明该木麻黄林地土壤pH值A层为强相关，B层和C层均为弱相关，C层甚至几乎不相关。块金效应越小，说明块金在基台值中所占的相对比例较大，研究变量在小尺度空间内的变化会更大；反之，则相应块金效应越小，说明小尺度范围内被研究对象的变化较小[29]，亦说明当前采样密度对于所进行的研究是足够的。

变程a反映了各点值的空间相关的最大距离，由表2可知，该21年生沿海木麻黄防护林土层土壤pH值变程从A到C层分别为96.7、74.1和63.3 m，即不同土层土壤空间相关消失的最大距离介于63～97 m间，而本研究的取样距离为20 m，因此，该采样尺度在变程范围内，符合采样距离要求。

克里格（Kriging）即空间局部估计是地统计学两大主要内容之一[23-24]。由于该木麻黄林各土层土壤pH值经验证均服从正态分布，故采用克里格法对不同土层土壤pH值进行了最优插值分析，并绘制出不同土壤层pH值克里格内插值图（见图3）。由图3可知，A层土壤pH值出现了隔离型的pH值较低区即3个明显“低洼”处（西南，北部和东北方向），同时表现出明显的随机斑块化倾向，在大部分样地周围出现了以随机点为核心的低值或高值斑块圈，各圈之间存在较大面积的平稳过渡带；B层土壤pH值斑块化现象开始减弱，西南方向“低洼”面积减少，而另两部分出现融合趋势，而斑块核心区pH值略上升且面积开始增大；C层这种融合在图的东北方向继续扩大，且pH值呈整体略增加趋势。各整体而言，从A层到C层之间出现了较为明显的过渡性，垂直方向存在一定的连续性。

木麻黄防护林各层土壤pH值均主要呈酸性，这符合沿海沙壤的特征[20:77]，也与鼎湖山森林类型十分相似，特别是符合常绿阔叶林地土壤pH值偏低的情况[30]，但低于北京森林类型的平均值[31]，究其原因主要是酸性土壤母质、大气酸沉降、土壤水分含量和木麻黄种植带来的土壤酸化等共同作用的结果。1）研究区位于我国南方沿海，沙壤母质本身带有一定的酸性，特别是福建范围内土壤表现出酸性甚

至达到强酸性[21,32]，而研究地沿海防护林正处于这一酸性土壤区域内。2）大气的酸沉降。主要是酸雨，当pH值小于5.6的降水可以称为酸雨，酸雨是导致土壤酸化的重要原因之一[5]。从上世纪90年代中期开始，包括福州在内的华东沿海地区也已成为我国主要酸雨区，当地降水pH年平均值4.72，酸雨出现的年平均百分率值达55.63%，属于重酸雨区[33]，酸雨的频繁加剧了沿海防护林土壤的酸化。3）土壤中水分的含量也是造成pH值不均的一个重要原因。通常认为土壤的pH值与水分含量表现为负相关[34-35]，沿海木麻黄防护林土壤在不同土壤深度的含水量的差异会影响到土壤pH值的高低。此外，4）木麻黄林可使土壤持续酸化，在酸性土壤条件下16生的木麻黄就可使土壤的pH值由5.3下降至4.2～4.3[6]，本研究中21年木麻黄林的酸性土壤pH值平均降到了4.04～4.16，虽然降幅较前期小，但仍保持了使土壤酸化的趋势。木麻黄林极有可能通过根系分泌物、地表凋落物的分解物和树表泾流进入土壤这3种方式导致土壤酸化加强，哪一种方式为主目前还不得而知，但从pH值随土壤深度增加而升高的趋势来看，这种影响随着土壤层的加深而下降，这与刘菊秀研究结果一致[27]。沿海木麻黄防护林垂直pH值不断升高，说明土壤母质和大气酸沉降为土壤酸化奠定了重要基础，而木麻黄的种植使酸化趋势加剧，并在局地出现了强酸化现象。

地统计学结果表明：沿海木麻黄林土壤0～20、20～40和40～60 cm的块金效应值表明除表层土壤具有较强空间相关外，下面两层均表现为弱相关，这可能与林分土壤类型和林分自身影响有关。通常空间相关性越大反映土壤属性主要由土壤母质、地形、土壤类型等结构因素决定，反之则反映土壤属性主要由人为干扰或林分本身等随机因素决定[5]。木麻黄林地土壤pH值的空间相关性3层土壤分别为强、弱和弱，说明该地林表层土壤主要受结构因素影响，而另外两层土壤主要受到随机因素影响。木麻黄林土壤pH值块金效应表强而下弱，说明随机因素随土壤深度增加而不断加强。此外，不同的半方差函数拟合模型能够反映出测量对象的分布类型，

线性模型极有可能为随机分布，而指数模型和球状模型则为聚集分布。木麻黄林地土壤A层的pH值空间变异半方差拟合模型为线性有基台值模型，说明pH值在该林地表层受到干扰较小，随机性较强；而B层和C层土壤pH值半方差拟合模型均为指数模型，则反映出了该深度范围内的pH值的聚集性。因此，不论是从块金值还是半方差拟合模型均可以说明该木麻黄林表层土壤（0～20 cm）pH值受林分影响弱而较深土壤而受到土壤以外的因子的影响。具体而言，由于沿海木麻黄林是人工生态公益林，人为干扰措施十分有限，因此，随机因素极有可能主要来自于林分本身，结合样地剖面挖掘过程发现，20～60 cm土壤木麻黄根系发达，纵横交错，因此受到根系活动影响的可能性极大。这与谭燕[5]在福建北部的邓恩桉林土壤pH值空间变异结果有所不同，其原因有可能是地形、林分种类和土壤类型共同作用的结果。前者处沿海沙壤，地势平坦，林分为21年木麻黄；而后者为闽北山区，有一定海拔，林分为7年生邓恩桉。

本研究虽对影响森林土壤pH值分布和空间变异的因子进行了探讨，但并未对影响因子进行定量分析，也未涉及时间动态变化，这均有待于今后继续研究。

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本文标签： 土壤空间防护林研究变异